JP4628911B2 - 身長測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、人を撮影した撮影画像から人の身長を測定する長さ測定装置に関し、特に、移動中の人を撮影した画像から身長を測定するものに関する。

従来、人の身長を撮影画像から測定するものとしては、例えば特許文献１に開示されているものがある。特許文献１に開示された技術では、人が三次元空間の基準面として使用している床面上に立っている状態において人の全身が映るようにカメラで撮影して二次元画像を得る。但し、撮影の前にキャリブレーションが行われており、三次元空間の各位置が二次元画像のどの位置にそれぞれ対応するかが決定されている。二次元画像において人間が撮影されている部分を抽出し、この抽出画像の足元及び頭頂部の二次元座標（Ｕｂ、Ｖｂ）、（Ｕｔ、Ｖｔ）を決定する。撮影された人間が床面上に立っているので、人間の足元の位置は三次元空間では高さ方向（Ｚ方向）が０であることが確定している。これと上記キャリブレーションが行われていることを利用して、人間の足元の位置の二次元座標から人間の足元の三次元座標（Ｘ１、Ｙ１、０）を決定する。但し、Ｘ１は、三次元空間における横方向（Ｘ方向）の座標、Ｙ１は奥行き方向（Ｙ方向）の座標である。人間の足元と頭頂部のＸ及びＹ方向の座標は同一とみなし、Ｘ１、Ｙ１とＵｔ、Ｖｔとを用いて、人間の頭頂部のＺ方向の座標を決定する。このＺ方向の座標が撮影された人間の身長を表す。

特開２００５−３３７７号公報

人は通行中には足を前後に開くので、頭頂部は上下動する。従って、上記技術によって、移動中の人の身長を測定すると、上下動している人の身長を測定することになり、正確な身長を測定することができない。

本発明は、移動中の人の身長を高精度に測定することができる身長測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による身長測定装置では、撮影手段が基準面上を移動、例えば歩行する人を撮影する。前記基準面上のそれぞれ異なる位置を移動中の前記人を撮影した前記撮影手段からの複数の画像ごとに、前記基準面からの前記人の高さデータを、高さ決定手段が決定する。

上述したように人が移動しているときに測定した人の高さデータは、頭頂部の上下動に伴い変動している。各高さデータの平均値を測定対象者の身長と判定することも考えられるが、平均値では、人の頭頂部が下がっている状態で測定された高さデータの影響を受けており、真の身長よりも小さい値となる傾向がある。ところで、人の歩行において、一方の足に重心を乗せて、その足が上半身の真下にくる状態を立脚中期という。この立脚中期状態において最も重心が高くなり、そのときの高さデータが静止直立時の人の身長に最も近い。そこで、本発明の身長測定装置では、変動している人の高さデータから、立脚中期状態にあるときの人の身長を推定手段で推定している。推定手段は、この高さ決定手段からの前記各高さデータの平均値と標準偏差とを算出し、前記平均値に前記標準偏差を加算した値に基づいて前記立脚中期の状態にある人の身長を推定する。

推定手段としては、各高さデータの平均値に前記標準偏差を加算した値以上の各高さデータの平均値に標準偏差を加算した値以上の値を持つ高さデータを立脚中期付近のデータとみなして、それらのデータから身長を決定するようにして、はずれ値以外の高さデータが除去されることを防止して、測定精度を向上させている。具体的には、平均値に標準偏差を加算した値以上の高さデータの中間値（対象とする複数のデータの最大値と最小値とを加算して２で除算した値、以下、中間値の用語は上記の定義で用いる）を抽出することが考えられる。

更に、各高さデータの算術平均値に前記標準偏差を加算した値以上の高さデータの平均値または中央値を前記人の身長とすることができる。例えば各高さデータの算術平均値に標準偏差を加算した値以上の高さデータのうち、いずれの値を真の立脚中期状態の高さデータと看做すかには種々の方法が考えられる。例えば、上述したような中間値を真の身長とすることも考えられる。しかし、算術平均値に標準偏差を加算した値以上の高さデータには、はずれ値が含まれている可能性があり、最大値または中間値は、はずれ値に大きく影響される。それに対し、前記算術平均値に前記標準偏差を加算した値以上の高さデータの平均値または中央値を用いると、はずれ値の影響を軽減でき、真の身長に近い値が得られると考えられる。従って、平均値または中央値を採用している。また、算術平均値に標準偏差を加算した値を採用することもできる。

以上のように、本発明によれば、移動中で頭頂部の位置が上下動している人の身長を高精度に測定することができる。

本発明の１実施形態の身長測定装置は、例えば空港等のセキュリティゲートや金融機関の入り口に設置される。この長さ測定装置は、図１に示すように、撮影手段、例えばビデオカメラ２を有している。ビデオカメラ２は、セキュリティゲートやドアの出入り口側を通過する通行者４を、床面も含めて撮影することができるように設置されている。

ビデオカメラ２によって撮影される領域は、図２に示すように、第１の三次元座標、例えばＸｗ軸、第２の三次元座標軸例えばＹｗ軸、及び第３の三次元座標軸例えばＺｗ軸で規定される三次元空間である。Ｘｗ軸とＹｗ軸とが直交し、さらにＸｗ軸及びＹｗ軸にＺｗ軸がそれぞれ直交している。これらＸｗ軸、Ｙｗ軸及びＺｗ軸の交点０ｗが、三次元空間の原点である。この三次元空間は、基準面、例えば床６を有している。この実施形態では、床６は、Ｘｗ軸とＹｗ軸とが通る平面上にある。そして、通行者４は、この床６上を例えばＹｗ軸方向に沿って移動する。

ビデオカメラ２からのビデオ信号は、図１に示すように、ビデオキャプチャーボード８を介して処理手段、例えばパーソナルコンピュータ１０に入力され、例えばＬＣＤやＣＲＴ等の表示装置１２の表示画面に図３（ａ）に示すように表示される。

この表示画面は、図２に示すビデオカメラ２の画像平面Ｘ−Ｙに対応するもので、表示画面の左上隅を原点Ｏとする第１の二次元座標軸、例えばＵ軸と、第１の二次元座標軸と直交する第２の二次元座標軸Ｖ軸とによって規定されている。この二次元撮影画面に通行者４の全身と床面６とが映し出されている。

ビデオカメラ２は、パーソナルコンピュータ１０が使用するプログラムによってキャリブレーションされており、図２における三次元空間と表示装置１２の表示画面とにおいて、三次元空間における各位置が、表示画面のどの位置に対応するかは、決定されている。このキャリブレーションの手法は公知であるので、詳細な説明は省略する。

パーソナルコンピュータ１０は、ビデオカメラ２からのビデオ信号に基づいて通行者４の身長を測定する。即ち、高さ決定手段としてパーソナルコンピュータ１０が機能する。そのため、まず図４に示すように、ビデオカメラ２からのビデオ信号から人物検出を行う（ステップＳ２）。この人物検出は、例えばビデオカメラ２のビデオ信号のうち通行者４が映っている１フレームと、通行者が存在していない状態で同じ場所を撮影したビデオ信号の１フレームとの差分を取ることによって行われ、これによって通行者４の撮影部分４ａが抽出される。この人物検出は、通行者が映っている複数の異なるフレームそれぞれについて行われる。なお、人物検出方法として、上述したもの以外の公知の種々の方法を使用することができる。

次に、抽出された撮影部分４ａを接して囲うように、例えば矩形の枠体１４をパーソナルコンピュータ１０が決定し、表示装置１２の表示画面上に描く。次に、図２（ａ）に示すように、この撮影部分４ａを接して囲うように、例えば矩形の枠体１４をパーソナルコンピュータ１０が決定する。この枠体１４は、その下部が必ず床面６の二次元画像６ａに接触するように決定する。基準面として床６を使用しているので、通行者４の足元は床面上にある。この枠体Ａの下部のＶ軸方向の座標をVbottomと、上部のV軸方向の座標をVtopと決定する。同じく、枠体Aの左右方向の右端のＵ軸方向の座標をUrightと、左端のＵ軸方向の座標をUleftとパーソナルコンピュータ８が決定する。このようにして被検知物体の二次元座標、例えば枠体１４の４隅の二次元座標が取得され、パーソナルコンピュータ８が、二次元座標検出手段として機能している。

なお、枠体１４の表示は、パーソナルコンピュータ１０が自動的に行ったが、図示しないパーソナルコンピュータ１０に付属する操作部、例えばマウス等のポインティングデバイスを、作業員が操作して、枠体１４を表示画面上に描いて、その４隅の二次元座標をパーソナルコンピュータ１０が計算するようにすることもできる。

このようにして求めた各二次元座標を基に、通行者４の身長を求める（ステップＳ４）が、上述したように、表示装置１２の画像はキャリブレーションされているので、三次元空間である撮影領域との対応が取られ、三次元空間上の或る座標位置を、表示画面上の二次元座標位置に変換することは可能である。しかし、逆に、表示装置１２の表示画面上の座標位置（二次元座標）を三次元空間上の座標に直接に変換することはできない。

そこで、ステップＳ４では、以下のような処理が行われる。床面画像６ａにある枠体１４の座標（Ｕleft、Ｖbottom）を三次元空間に変換したとき、それは三次元空間の床面６に接している、即ちＺｗ軸方向の位置は０であることは明らかである。そこで、座標（Ｕleft、Ｖbottom）が三次元座標に変換されたＺｗ軸方向の値ｚｗ＝０を条件として、第１の３次元空間座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）にパーソナルコンピュータ８が変換する。同様に、床面画像４ａ上にあるもう１つの座標（Ｕright、Vbottom）もＺｗ＝０を条件として第１の３次元空間座標（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）に変換する。このようにパーソナルコンピュータ１０は第１の三次元座標変換手段として機能する。上記の前提をおいているので、この座標変換は容易に行える。この変換された基準面４上の座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）を図３（ｂ）に示す。

これら座標変換を、図２を参照して説明する。この座標変換では、図２に示すようなビデオカメラ２の中心ｃとビデオカメラ２のＸ−Ｙ平面（これは表示装置１２の表示画像に対応している）上の座標（ｕ，ｖ）、例えば上述した（Ｕleft、Ｖbottom）または（Uright、Ｖbottom）を通る３次元座標空間における直線Ａを求め、その直線が床面６に交差する点ａを対象物の位置（Ｘｗ、Ｙｗ、０）として計算する。この（Ｘｗ、Ｙｗ、０）が、上述した（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）または（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）に相当する。

ここで、図２に示す三次元座標（Ｘｗ、Ｙｗ、Ｚｗ）とビデオカメラ２のカメラ座標（ｘ、ｙ、ｚ）との関係は、次式で表される。次式においてＲは３行３列の回転行列、Ｔは平行移動ベクトル［Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ］^Ｔである。

まず、ビデオカメラ２の画像上の座標（ｕ，ｖ）を、ビデオカメラ２の画像平面Ｘ−Ｙ（これは、その中心が原点０であり、この原点０がビデオカメラ２の座標の原点ｃに対応している）における座標（Ｘｄ、Ｙｄ）に、次式によって変換する。但し、ｕｃ、ｖｃは、ビデオカメラ２の画像座標の中心を表す。

座標点（Ｘｄ、Ｙｄ）をビデオカメラ２におけるレンズ歪みを修正した座標点（Ｘｕ、Ｙｕ）に次式によって変換する。但し、ｒは画像中心からの距離であり、Ｓは画像座標の縦横比、ｋ１、ｋ２はレンズ歪み係数である。

図２において、ビデオカメラ２の座標の原点ｃから画像上の（Ｘｕ、Ｙｕ）点を通過する光線ベクトルＶｒ＝［ｘｖ、ｙｖ、ｚｖ］^Ｔは、次式によって表される。ｆは、ビデオカメラ２の座標における焦点距離とする。

光線ベクトルＶｒを３次元空間上の直線で表すと、次式となる。但し、αは実数である。

ここで、床面６がＸｗ−Ｙｗ平面に平行であり、Ｚｗ＝０であると仮定しているので、上記直線が床面６と交わるときのαを次式によって決定することができる。

数６に求めたαの値を数５に代入することによって、画像座標点（ｕ、ｖ）に対応した三次元座標点（Ｘｗ、Ｙｗ、０）を、次式によって求めることができる。

数７を使用することによって、上述した（Ｕleft、Ｖbottom）、（Uright、Ｖbottom）を、（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）に変換できる。

次に、二次元座標（Ｕleft、Vtop）と、（Uright、Vtop）とを、第２の三次元空間座標に変換するが、このとき、二次元座標（Ｕleft、Vtop）は、先の座標（Uleft、Vbottom）とUleftが共通である。従って、二次元座標（Ｕleft、Vtop）を三次元座標に変換したＸｗ軸及びはＹｗ軸の値は、（Uleft、Vbottom）を三次元座標に変換した値（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）のＸｗ軸及びＹｗ軸の値Ｘｗ１、Ｙｗ１と等しいと考えられる。そこで、変換されるＸｗ軸方向の値Ｘｗ１またはＹｗ軸方向の値Ｙｗ１を条件として、（Uleft、Vbottom）を三次元空間座標（ＸＷ１、ＹＷ１、Ｚｗ１）に変換する。

例えば、（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）を通るｙｗ−ｚｗ平面を考え、（Uleft、Vbottom）を通る光線を数５から求める。ここでは数５における実数αをβとする。その光線が、Ｘｗ−Ｚｗ平面（この平面はＺw≠０）と交差するβを次式によって求める。

βの値を数５に代入することで、（Uleft、Vbottom）に対応した三次元座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、Ｚｗ１）を求めることができる。なお、（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）を通るＸｗ−Ｚｗ平面を考え、（Uleft、Vbottom)を通る光線を数５から求める際に、βを次式によって求めることもできる。

同様にして、（Uright、Vtop）の三次元座標への変換後のＸｗ軸方向の値Ｘｗ２またはＹｗ軸方向の値Ｙｗ２を条件として、（Uright、Vtop）を三次元空間座標（Ｘｗ２、Ｙｗ２、Ｚｗ２）に変換する。従って、パーソナルコンピュータ１０は、第２の三次元座標変換手段としても、機能する。変換された三次元空間座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、Ｚｗ１）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、Ｚｗ２）を図３（ｂ）に示す。

このようにして被検知物体を囲う枠体Ａの４隅の二次元座標（Uleft、Vbottom）、（Uright、Vbottom）、（Uleft、Vtop）、（Uright、Vtop）を三次元座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）、（Ｘｗ１、Ｙｗ１、Ｚｗ１）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、Ｚｗ２）に変換する。

これら４つの三次元座標（Ｘｗ１、Ｙｗ１、０）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、０）、（Ｘｗ１、Ｙｗ１、Ｚｗ１）、（Ｘｗ２、Ｙｗ２、Ｚｗ２）を用いて、通行者４の高さを算出する。

即ち、Ｚｗ１とＺｗ２との平均値（Ｚｗ１＋Ｚｗ２）／２を算出し、高さデータｈを求める。図２（ａ）では、Ｚｗ１とＺｗ２とを同じ高さに描いてあるが、実際には、異なった高さになることがあるので、その場合に備えて、Ｚｗ１とＺｗ２との平均を高さデータｈとしている。なお、二次元座標（Ｕleft、Ｖbottom）、（Ｕright、Ｖbottom）の中点の座標を求め、これを上記と同様にして三次元に変換し、これによって求められたＸｗ座標軸上の位置とＹｗ座標軸上の位置とを用いて、二次元座標（Ｕleft、Ｖtop）、（Ｕright、Ｖtop）の中点の座標を三次元座標に変換し、それによって得られたＺｗ軸上の座標位置を高さデータｈとすることもできる。

このようにして通行者４の床面６からの高さデータを１つのフレームから得ることができる。このような作業を異なる時間に発生した複数のフレームそれぞれについて行って、複数の高さデータｈを求める。

このようにして求めた高さデータとフレームとの関係を図５に示す。これは身長が１７７０ｍｍの通行者に対して連続する１１５のフレームそれぞれについて測定したデータである。上述したように通行者６が移動しているときには、足を前後に開く関係上、頭頂部が上下し、図５に示すように高さデータｈに上下動が発生する。これら上下動したデータから真の身長を求めるために、図４に示すように統計処理をパーソナルコンピュータ１０が行う（ステップＳ６）。即ち、統計処理手段としてパーソナルコンピュータ１０が機能する。各高さデータｈから、通行者４が立脚中期状態にある状態の高さデータと看做せる高さデータを算出している。これは、上述したように立脚中期状態の高さデータが静止直立状態の高さデータに最も近いからである。この実施形態では、各高さデータｈの算術平均値に標準偏差σを加算した値以上の高さデータｈの算術平均値を、立脚中期状態の高さデータと看做し、これを身長と決定している。また、実測値によっても、各高さデータｈの算術平均値に標準偏差σを加算した値以上の高さデータｈの算術平均値が真の身長に近いことが判った。

即ち、統計処理として、高さデータｈの最大値を求めると、図５に符号ａで示すように、１７８８ｍｍとなり、真値１７７０ｍｍとは誤差が１８ｍｍある。図５を見ると、６１フレーム目のみに瞬間的に高い値が出ており、これは測定誤差であると考えられる。そして、上記最大値は上記測定誤差の影響をそのまま受けて決定されていることがわかる。そこで、瞬間的な測定誤差の影響を軽減するため、高さデータｈの算術平均値を求めた。すると、図５に符号ｂで示すように、１７３９ｍｍとなり、誤差が３１ｍｍとなり、最大値を身長とするときより誤差が大きくなった。これは、移動中に頭頂部が下がったときに測定された高さデータの影響を受けているからと考えられる。従って、算術平均値そのものを身長と決定するには若干問題がある。ところで、前述したように、立脚中期は高さデータｈのうち、最大に近い値であることがわかっている。そこで、標準偏差σを求め、これを上記算術平均値に加算した。この値は、高さデータｈのうち最大に近い値ということができるので、立脚中期付近のデータと看做すことができる。さらに、複数の高さデータから計算されるので、上記瞬間的な測定誤差の影響を少なくすることができる。その値は、符号ｃで示すように１７６３ｍｍとなり、誤差は７ｍｍとなった。従って、標準偏差σと平均値との加算値を真の測定値とすることも可能である。さらに、これら標準偏差σと平均値との加算値以上となった高さデータに着目すると、これらは立脚中期付近のみのデータと看做すことができる。これらの算術平均を求めると、符号ｄで示すように１７６８ｍｍとなり、誤差は２ｍｍになり、更に真値に近い値が得られた。

従って、算術平均値に標準偏差を加算した値または算術平均値に標準偏差を加算した値以上の高さデータの算術平均値を測定身長と看做すことができる。

このようにして得られた身長と、通行者４を撮影した適切な１フレームの画像とは、パーソナルコンピュータ８が備える記憶手段、例えばメモリまたはハードディスクに記憶される（ステップＳ８）。

上記の実施形態では、キャプチャーボード８、パーソナルコンピュータ１０及び表示装置１２を使用したが、これに限ったものではなく、例えばビデオカメラ２の内部やハードディスクレコーダやＤＶＤレコーダの内部に組み込んだＤＳＰのようなデジタル信号処理装置を用いて、本発明を実施することもできる。上記の実施形態ではビデオカメラを使用したが、デジタルスチールカメラを使用して、通行者４が通行している間に、時間をおいて複数の画像を得て、それら画像から身長を測定することもできる。

上記の実施の形態では、各高さデータｈの算術平均値に標準偏差σを加算した値以上の高さデータｈの算術平均値を算出し、これを通行者４の立脚中期状態の身長としたが、これに限ったものではなく、例えば各高さデータｈの算術平均値に標準偏差σを加算した値そのものを立脚中期状態の身長と看做すこともできるし、各高さデータｈの算術平均値に標準偏差σを加算した値以上の高さデータｈの中央値または中間値を立脚中期状態の身長と看做すこともできる。或いは、各高さデータｈの最大値自体を立脚中期状態の身長と看做したり、各高さデータｈの中間値を立脚中期状態の身長と看做したりすることもできる。

本発明の１実施形態の身長測定装置のブロック図である。 図１の身長測定装置において二次元座標位置から床面上の三次元座標位置を決定する手法の説明図である。 図１の身長測定装置において二次元座標位置から三次元座標位置を決定する過程を示す図である。 図１の身長測定装置において実行される処理のフローチャートである。 図１の身長測定装置において得られた高さデータを示す図である。

符号の説明

２ ビデオカメラ（撮影手段）
１０ パーソナルコンピュータ（高さ決定手段、統計処理手段）

Claims (2)

1. 基準面上を移動する人を撮影する撮影手段と、
   前記基準面上のそれぞれ異なる位置を移動中の前記人を撮影した前記撮影手段から得られる複数の画像ごとに、前記基準面からの前記人の高さデータを決定する高さ決定手段と、
   この高さ決定手段からの前記各高さデータの平均値と標準偏差とを算出し、前記各高さデータのうち、前記平均値に前記標準偏差を加算した値以上の高さデータの平均値、中央値または中間値を前記人の立脚中期状態の身長とする推定手段とを、
   具備する身長測定装置。
2. 基準面上を移動する人を撮影する撮影手段と、
   前記基準面上のそれぞれ異なる位置を移動中の前記人を撮影した前記撮影手段から得られる複数の画像ごとに、前記基準面からの前記人の高さデータを決定する高さ決定手段と、
   この高さ決定手段からの前記各高さデータの平均値と標準偏差とを算出し、前記平均値に前記標準偏差を加算した値を、前記人の立脚中期状態の身長とする推定手段とを、
   具備する身長測定装置。

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